Soyut
Endüstriyel robotlar neredeyse tüm imalat endüstrilerinde kullanılıyor ve binlerce işçiye istihdam sağlıyor. Ancak dünya genelinde yaygın kullanımı nedeniyle endüstriyel robotiğin eğitim ortamına dahil edilmesi hem gerçekleştirilmesi zor hem de uygulaması sınırlıdır. Bu makale, endüstriyel robotiğin eğitim ortamında tanıtılmasının önündeki engelleri özetlemekte ve VEX V5 Workcell adı verilen robotik kolun kullanıldığı çözümü sunmaktadır. VEX V5 Workcell, endüstriyel robotiğin ortaöğretim ve teknik öğrencilerin erişimini artırmak için geliştirildi. Endüstriyel robotların eğitim ortamına dahil edilmesindeki erişilebilirlik sorunları, boyut kısıtlamaları, güvenlik kaygıları, yüksek maliyet ve sınırlı programlama deneyiminin bir birleşimidir. VEX Robotics tarafından oluşturulan donanım ve yazılım, öğrencilere beş eksenli bir robotla simüle edilmiş bir üretim çalışma hücresi oluşturup programlayarak teknik ve problem çözme becerilerini geliştirme fırsatı sunuyor.
Anahtar Kelimeler:
endüstriyel robotiğin öğretilmesi; KÖK; Python; C++, blok tabanlı kodlama; VEX Robotik; robot kol; eğitici robotik
BEN. giriiş
Robotiğin eğitimde kullanımı her yaştan öğrenci için disiplinlerarası, uygulamalı, özgün bir öğrenme deneyimi haline geldi.12 Eğitimde robotikle ilgilenmek, genç öğrencilerin bilime olan ilgisini artırmanın yanı sıra onlara mantıksal düşünme, sıralama ve problem çözme gibi önemli becerileri öğrenmeleri için gerekli deneyimi ve ortamı sağlayabilir. Öğrenciler robotik ile eğitim kariyerlerinde ilerledikçe, soyut fizik ve matematik kavramlarını hayata geçiren daha karmaşık mühendislik ve bilgisayar bilimi kavramlarını incelemek için problem çözme ve mantıksal düşünme gibi temel becerileri geliştirebilirler.12
“Robotlar inşa etmek, probleme dayalı öğrenmenin (PBL) sınıflarda uygulanması için popüler bir proje tercihidir. Bu kadar popüler bir tercih olmasının nedeni konunun multidisipliner yapısıyla açıklanabilir: Robotik, fizik, elektronik, matematik, programlama gibi birçok farklı bilimsel, teknik ve teknolojik beceri gerektirir. İdeal bir konudur çünkü pek çok farklı ders ona bağlanabilir. Ayrıca robotlar çocukların ve gençlerin hayal gücünü yakalayarak ilham ve motivasyon sağlıyor”.13
Teknolojinin sürekli gelişmesi ve programlamanın arzu edilen bir beceri haline gelmesiyle birlikte eğitim kurumları, öğrencilerini endüstriyel robotik ve üretimle tanıştırarak işgücüne hazırlamak istiyor. Endüstriyel robotlar ve robotik kollar, belirli bir görevi veya işlevi gerçekleştirmek üzere tasarlanmış programlanabilir makinelerdir.1
“Robotik sistemler genellikle güvensiz, tehlikeli ve hatta tekrarlanan operatör görevlerini gerçekleştirmek için kullanılıyor. Bir makine veya aletin malzeme taşıma, montaj, kaynak yapma, yükleme ve boşaltma gibi birçok farklı işlevi ve boyama, püskürtme vb. özellikleri vardır. Çoğu robot, teknik ve tekrar öğretilerek çalışacak şekilde yapılandırılmıştır”.1
Araştırmalar, öğrencilerin sınıfta robotları kullanma konusunda olumlu tutum ve deneyimlere sahip olduklarını göstermektedir.16 Bununla birlikte, olumlu öğrenci tutumlarına rağmen, endüstriyel robotiğin eğitim ortamında kullanımını kısıtlayan engeller vardır: boyut kısıtlamaları, güvenlik kaygıları, yüksek maliyet ve sınırlı programlama deneyiminin birleşimi. Bu yazıda VEX V5 Workcell'in endüstriyel robotiği eğitim ortamında tanıtmak için nasıl bir çözüm olduğu tartışılacaktır.
II. Yeni ve Uygun Fiyatlı Robotik Modeller (donanım):
Teknoloji ilerledikçe giderek daha fazla öğrenci robotiğe kariyer olarak ilgi duymaya başlıyor. Robotik, öğrencilerin bilim ve matematik alanlarına olan ilgisini artırmanın yanı sıra öğrencilere problem çözme ve mantıksal düşünme pratiği yapma fırsatı da verebilir.12 Eğitsel robotlarla çalışmayla geliştirilen problem çözme ve mantıksal düşünme gibi beceriler, endüstriyel robotik ve üretim kariyerinde de uygulanabilir ve temel oluşturur. Robotik alanında kodlama, problem çözme ve mantıksal düşünme becerileri edinmiş uzmanların ihtiyaç ve talebini karşılamak için eğitim talimatları sınıflarında endüstriyel robotiği tanıtmak istiyor.17 Ancak, bu öğrencileri üretim kariyerinde başarılı olmaya hazırlamak için endüstriyel robotları eğitim ortamına getirmenin sınırlamaları vardır. Çalışan bir robot kolunun yalnızca satın alınması değil, aynı zamanda bakımı da maliyetlidir. Bu maliyet, öğrencilerin etkileşimde bulunabileceği robotların sayısını ve dolayısıyla öğrencinin bağımsız uygulamalı katılımını sınırlayabilir.11 Endüstriyel boyuttaki robot kolları da büyük miktarda alan gerektirir ve endüstriyel robotlarla çalışırken her zaman bir güvenlik riski vardır. Deneyimsiz öğrenciler kazara kendilerine, ekipmana veya başkalarına zarar verebilirler.11 Bu faktörlerden dolayı eğitim kurumları daha küçük, daha güvenli ve daha uygun maliyetli endüstriyel robot modellerine yöneliyor.
"Büyük robotların taşınması sürekli denetim gerektirse ve özel robot hücrelerinde yapılması gerekse de, birçok üniversite artık öğrencilerin bağımsız çalışmasına olanak tanıyan ek masaüstü boyutlu robotlar satın almayı tercih ediyor. Bu makineler daha büyük robotlarla aynı şekilde programlandığından, sonuçlar tam ölçekli uygulamalar için büyük makinelere anında uygulanabiliyor”.2
VEX V5 Workcell, sınıf masasına yerleştirilebilecek kadar küçük olan ve önerilen üç öğrenciye bir robot oranına sahip, daha küçük, daha güvenli ve daha uygun maliyetli bir endüstriyel robot modelidir ve öğrencilere uygulamalı etkileşim fırsatı tanır. robot. V5 Workcell, daha küçük olması ve gerektiğinde acil durdurma işlevi görecek bir tampon anahtarı programlayabilme özelliği nedeniyle daha güvenlidir.
V5 Workcell ayrıca öğrencilerin başka türlü mümkün olamayacak bir inşaat deneyimi yaşamasına da olanak tanır. Profesyonel endüstriyel boyutlu robotik kollarla uğraşan öğrenciler, bunları programlamak için değerli bilgi ve beceriler kazanırlar, ancak inşaat sürecine dahil olmadıkları için bunların nasıl hareket ettiğini ve çalıştığını anlayamayabilirler. İnşaat sürecine dahil olmak, öğrencilere yalnızca donanım ve yazılım arasında daha güçlü bir bağlantı kurma fırsatı vermekle kalmaz, aynı zamanda öğrencilerin robotun fiziksel olarak nasıl çalıştığına dair daha temel bilgi edinmelerine de olanak tanır. Bu fırsat, öğrencilere donanım sorunlarını daha etkili bir şekilde gidermek ve problem çözmek için ihtiyaç duydukları bilgi ve oluşturma deneyimini verebilir.13 Robotların fiziksel yapısını endüstriyel robotik eğitimine dahil etmek aynı zamanda öğrencilere fizik, mühendislik ve matematiğin soyut kavramlarını ve denklemlerini hayata geçirme fırsatı verir. Bu STEM kavramlarını bağlam içinde uygulamak aynı zamanda öğrencilerin bunların endüstride nasıl uygulanabilir olduğunu görmelerine de olanak tanır.
Diğer daha küçük ve daha uygun maliyetli endüstriyel robot modellerinin çoğu önceden monte edilmiş olarak gelir ve genellikle yalnızca tek bir işlev için üretilir. V5 Workcell donanımının bir avantajı öğrencilerin tek bir robot yapımıyla sınırlı olmamasıdır. Öğrenciler V5 Workcell'i, robot kolunun temel işlevi (Şekil 1'de gösterilmektedir), EOAT'ın değiştirilmesi (kol sonu takımı) ve eklemeler de dahil olmak üzere çok sayıda farklı yapıya sahip olan VEX Robotics V5 Sistemindeki parçalardan oluştururlar. birden fazla konveyör ve sensör (Şekil 2'de gösterilmektedir). Bu, öğrencilere yalnızca robot kolunun kendisini oluşturma konusunda değil, aynı zamanda küçük boyutlu bir üretim iş hücresi modelinin tamamını oluşturma konusunda deneyim kazandırır. Bu, öğrencilerin inşa etmeden deneyimleyemeyecekleri matematik ve mühendislik kavramlarını vurgulayan bir inşa sürecine girmelerine olanak tanır. Bu aynı zamanda öğrencilerin V5 Workcell'in fiziksel düzeyde nasıl çalıştığını anlamalarına olanak tanır ve bu da programlamaya da aktarılır. Bu, V5 Workcell'i öğrencilere yalnızca endüstriyel robot bilimi ve programlama kavramlarını tanıtmakla kalmayıp aynı zamanda onlara Kartezyen koordinat sistemi ve bir robotun 3 boyutlu alanda çalıştırılması gibi inşaat, mühendislik ve matematik kavramlarını da tanıtan pedagojik bir araç haline getirir.
Şekil 1: Lab 1 Yapısı (robotik kol)
Şekil 2: Lab 11 Yapısı (robotik kolun yanı sıra konveyörler ve sensörler)
Farklı yapılar, öğrenciye adım adım yapım konusunda rehberlik eden yapım talimatlarında verilmiştir (Şekil 3'te gösterilmektedir). Bu, V5 Workcell'in yapımını genel olarak inşaat yapma, metalle inşaat yapma veya alet kullanma konusunda herhangi bir deneyimi olmayan öğrenciler için erişilebilir hale getirir.
Şekil 3: Laboratuvardan bir adım 4 Yapım Talimatları
VEX V5 Workcell, eğitim kurumlarına daha küçük, daha güvenli ve daha uygun maliyetli bir endüstriyel robot modeli seçeneği sunar; bu model yalnızca bina yetenekleri açısından çok yönlü olmakla kalmaz, aynı zamanda öğrencilere profesyonel endüstriyel boyuttaki robotlara kıyasla daha bağımsız, uygulamalı bir öğrenme deneyimi sunar. silâh.
III. Programlama Öğretimi (yazılım):
Teknolojinin katlanarak ilerlemesiyle birlikte, endüstriyel üretimdeki birçok manuel işçilik işi artık otomasyonla destekleniyor.4 Bu, emeği tamamlayabilir ve hatta bazı durumlarda daha fazla emek talebi yaratabilir, ancak aynı zamanda çalışanların otomasyonu çalıştırmak, onarmak ve bakımını yapmak için güçlü bir programlama bilgisine sahip olmasını gerektirir.4 Programlama, kişinin uzmanlaşması yıllar sürebilecek bir beceridir ve endüstride kullanılan programlama dillerinin çoğu karmaşıktır ve profesyonel mühendisler tarafından kullanılmak üzere tasarlanmıştır.3 Bu, robotun en basit görevleri bile yerine getirmesi için gereken programların bir programlama uzmanının işe alınmasını gerektirdiği anlamına gelir.3
"Örneğin, büyük bir araç gövdesinin üretimi için bir robotik ark kaynağı sisteminin manuel olarak programlanması sekiz aydan fazla sürerken, kaynak işleminin döngü süresi yalnızca on altı saattir. Bu durumda programlama süresi yürütme süresinin yaklaşık 360 katıdır”.9
Bu seviyedeki programlama uzmanlığı, endüstriyel robotiğin programlama temelleri hakkında bilgi edinmek isteyen ancak programlama deneyimi çok az olan veya hiç olmayan öğrenciler ve eğitimcilerin erişimini sınırlar.
"Robot programlama zaman alıcı, karmaşık, hataya açık bir işlemdir ve hem görev hem de platform açısından uzmanlık gerektirir. Endüstriyel robotik alanında, belirli bir yeterlilik gerektiren, satıcıya özel çok sayıda programlama dili ve aracı vardır. Ancak endüstride otomasyon düzeyinin artırılması ve robotların hizmet robotiği ve afet yönetimi gibi diğer alanlardaki kullanımının genişletilmesi için uzman olmayanların da robotlara eğitim vermesinin mümkün olması gerekiyor”.10
Her yaşta acemi olarak programlamayı öğrenmek zordur.8 Sözdizimini öğrenmenin yanı sıra proje akışını nasıl anlayacağınızı öğrenmek sadece bunaltıcı değil aynı zamanda cesaret kırıcı ve hatta tamamen korkutucu olabilir.5 Öğrencilerin ve eğitimcilerin endüstriyel robotik konusunda deneyim kazanmaları için, bu robotların kodlanmasındaki karmaşıklığın, acemi programcıların katılabileceği şekilde azaltılması gerekiyor. Bu, programlama dilinin geleneksel metin tabanlı dillerden basitleştirilmesiyle yapılabilir. Bir programlama dilinin basitleştirilmesi, küçük çocuklara eğitim de dahil olmak üzere farklı alanlarda programlamanın nasıl yapılacağını öğretmede başarılı olmuştur.3 Bu başarı nedeniyle, basitleştirilmiş bir programlama dili bireylere endüstriyel robot programlamanın temellerini öğretmek için kullanılabilir ve onların daha sonra endüstride başarılı olmak için kullanabilecekleri temel becerileri geliştirmelerine olanak tanır.3
VEX V5 Workcell, öğrencilerin Scratch bloklarıyla desteklenen blok tabanlı bir dil olan VEXcode V5'i kullanarak endüstriyel bir robotik kol modeli programlamalarına olanak tanır.18 (scratch.mit.edu) Öğrenci, basitleştirilmiş bir programlama dili olan VEXcode V5 ile programlama yapabilir. Öğrenciler Workcell'i başarıyla yönetmek için bir proje oluşturabilir ve ayrıca projenin amacını ve akışını daha derin bir düzeyde anlayabilirler. Çalışmalar, önceden programlama deneyimi olmayan acemilerin, temel endüstriyel robotik görevlerini gerçekleştirmek için blok tabanlı programları başarıyla yazabileceğini göstermiştir.3
Çalışmalar ayrıca öğrencilerin VEXcode V5 gibi blok tabanlı bir programlama dilinin doğasının, blokların doğal dil tanımlaması, bloklarla etkileşime yönelik sürükle ve bırak yöntemi ve blokların kullanım kolaylığı nedeniyle kolay olduğunu bildirdiklerini göstermiştir. projeyi okuyorum.6 VEXcode V5 aynı zamanda daha geleneksel metin tabanlı yaklaşımla karşılaştırıldığında blok tabanlı programlama dilinin endişe verici noktalarını da ele alır. Tanımlanan dezavantajlardan bazıları, algılanan özgünlük eksikliği ve daha az güçlü olmadır.6 VEXcode V5, 'kod görüntüleyici' olarak bilinen bir aracı dahil ederek hem algılanan özgünlük eksikliğini hem de daha az güçlü görünme sorununu giderir. Kod görüntüleyici, öğrencinin bir blok projesi oluşturmasına ve ardından aynı projeyi C++ veya Python'da metin biçiminde görüntülemesine olanak tanır. Bu dönüşüm, öğrencilerin blok tabanlı dilin kısıtlamalarının ötesine geçmelerine olanak tanır ve aynı zamanda bloklardan metne sözdizimi boşluğunu kapatmak için başarılı olmaları için ihtiyaç duydukları iskele araçlarını da sağlar. VEXcode V5, bloklardan metne geçişi kolaylaştırmak amacıyla bloklar ve komutlar için benzer adlandırma kurallarını kullanır.
Weintrop ve Wilensky7 tarafından Lise Bilgisayar Bilimleri sınıflarında blok tabanlı ve metin tabanlı programlamayı karşılaştırmak için yapılan bir araştırma, blok tabanlı dili kullanan öğrencilerin öğrenmelerinde daha fazla kazanım elde ettiğini ve gelecekteki bilgisayarlara daha yüksek düzeyde ilgi gösterdiğini buldu. dersler. Metin tabanlı dili kullanan öğrenciler, programlama deneyimlerini programcıların endüstride yaptıklarına daha benzer ve programlama becerilerini geliştirmede daha etkili olarak gördüler. VEXcode V5, acemi programcılara ilk önce güçlü bir programlama kavramları temeli oluşturmalarına izin vererek daha sonra C++ veya Python'a geçiş yaparken kullanabilecekleri, her iki metin tabanlı dilin de VEXcode V5'te desteklenmesine olanak tanıyarak her iki dünyanın da en iyisini sunar.
VEXcode V5, eğitim ortamlarında kullanılacak endüstriyel robot modeline yönelik erişilebilir ve ücretsiz blok tabanlı bir programlama dilidir; bu, programlama robotlarını, normalde bunları kullanamayacak olan öğrenciler ve eğitimciler için daha erişilebilir hale getirir. Üretim çalışma ortamları teknolojiyle birlikte sürekli değişiyor ve VEXcode V5 gibi blok tabanlı programlama dilleri, geleceğin üretim çalışanları olmayı hedefleyen öğrencilere, imalat ve endüstriyel işlerde başarılı olmak için ihtiyaç duydukları becerileri ve temel programlama bilgilerini daha iyi sağlayabilir.3
IV. Büyük Fikirler
V5 Workcell'in en büyük avantajlarından biri, öğrencilere yalnızca programlamanın değil aynı zamanda mühendislik ve endüstriyel robotik profesyonel alanının da temelini oluşturan daha büyük kavramları ve temel ilkeleri öğrenme ve bunlara odaklanma fırsatı verilmesidir. Farklı ortamlarda ve durumlarda uygulanabilecek birkaç büyük kavrama odaklanmak, öğrencilere bu beceriler ve konular hakkında daha derinlemesine bir anlayış ve daha derin bir öğrenme deneyimi kazanma fırsatı verir. Halpern ve Hackel, "temel ilkelerin derinlemesine anlaşılmasına yapılan vurgunun, genellikle geniş bir konu yelpazesinin daha ansiklopedik bir şekilde ele alınmasından daha iyi bir öğretim tasarımı oluşturduğunu" ileri sürmektedir.14
Öğrenciler aşağıdaki gibi farklı kavramları araştıracaklar:
- Metal ve elektronik ile bina
- Kartezyen koordinat sistemi
- Robotik bir kol 3 boyutlu alanda nasıl hareket eder?
- Kodun yeniden kullanımı
- Değişkenler
- 2D Listeler
- Otomasyon için sensör geri bildirimi
- Konveyör sistemleri ve daha fazlası.
Öğrenciler bu kavramlara ilişkin, daha sonra matematik, programlama, mühendislik ve üretim gibi çok çeşitli alanlara aktarılabilecek ve uygulanabilecek temel bilgileri kazanacaklardır. Öğrenciler bu kavramlara giriş yaparken aktif olarak problem çözebilir, işbirliği yapabilir, yaratıcı olabilir ve dayanıklılık geliştirebilirler. Bunların hepsi her ortamda önemli becerilerdir ve günümüzün 21. yüzyıl becerileriyle bağlantılıdır.
“21. yüzyılda bilgi hayati hale geldi ve insanların 21. yüzyıl becerileri olarak adlandırılan işgücüne katılabilmeleri için bu tür becerileri edinmeleri gerekiyor. Genel olarak 21. yüzyıl becerileri arasında işbirliği, iletişim, dijital okuryazarlık, vatandaşlık, problem çözme, eleştirel düşünme, yaratıcılık ve üretkenlik yer alıyor. Bu becerilere, endüstriyel üretim tarzı olarak nitelendirilen geçen yüzyıldaki becerilerden ziyade mevcut ekonomik ve sosyal gelişmelerle daha fazla ilişkili olduklarını belirtmek için 21. yüzyıl becerileri adı verilmektedir.15
V. Sonuçlar
Bu makalenin amacı VEX V5 Workcell'in avantajlarını endüstriyel robotiği tanıtmak için eğitim ortamında sunmaktır. Bunu yaparken, bu makale VEX V5 Workcell'in öğrencilere endüstriyel robot bilimini uygun maliyetli bir eğitim ortamında tanıtmak için her şeyi kapsayan bir çözüm sağladığını, programlamaya giriş engelini azalttığını ve öğrencilerin gelişmesine yardımcı olan büyük fikirlere odaklandığını göstermektedir. önemli beceriler.