VEX V5 Workcell: промислова модель роботизованої руки для освіти STEM

Анотація

Промислова робототехніка використовується майже в усіх галузях промисловості та надає роботу тисячам працівників. Незважаючи на те, що промислова робототехніка широко використовується в усьому світі, впровадження промислової робототехніки в навчальні заклади є складним і обмеженим на практиці. У цьому документі описано бар’єри для впровадження промислової робототехніки в освітньому середовищі та представлено рішення за допомогою роботизованої руки під назвою VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell був розроблений, щоб покращити доступність промислової робототехніки для студентів середніх і технічних навчальних закладів. Проблеми доступності під час впровадження промислової робототехніки в освітньому середовищі полягають у поєднанні обмежень щодо розміру, проблем безпеки, високої вартості та обмеженого досвіду програмування. Апаратне та програмне забезпечення, створене VEX Robotics, надає студентам можливість розвивати технічні навички та навички вирішення проблем, створюючи та програмуючи імітацію виробничої робочої клітини з п’ятиосьовим роботом.

Ключові слова:

навчання промислової робототехніки; STEM; Python; C++, блокове кодування; VEX Robotics; роботизована рука; освітня робототехніка

я вступ

Використання робототехніки в освіті стало міждисциплінарним, практичним, автентичним досвідом навчання для учнів будь-якого віку.¹² Залучення робототехніки в освіту може пробудити інтерес молодших школярів до науки, а також дати їм досвід і середовище для навчання важливим навичкам, таким як логічне мислення, послідовність і вирішення проблем. У міру того, як студенти просуваються у своїй освітній кар’єрі з робототехнікою, вони можуть розвивати базові навички вирішення проблем і логічного мислення, щоб вивчати більш складні концепції інженерії та інформатики, які втілюють у життя абстрактну фізику та математичні концепції.¹²

«Створення роботів є популярним проектом для впровадження проблемно-орієнтованого навчання (PBL) у класі. Причину, чому це такий популярний вибір, можна пояснити міждисциплінарним характером теми: робототехніка вимагає багатьох різних наукових, технічних і технологічних навичок, таких як фізика, електроніка, математика та програмування. Це ідеальний предмет, оскільки до нього можна прив’язати дуже багато різних курсів. Крім того, самі роботи захоплюють уяву дітей та підлітків, надихаючи та мотивуючи».¹³

Оскільки технології постійно розвиваються, а програмування стає бажаною навичкою, навчальні заклади хочуть підготувати своїх студентів до робочої сили, ознайомивши їх із промисловою робототехнікою та виробництвом. Промислові роботи та роботизовані руки – це програмовані машини, призначені для виконання певного завдання чи функції.¹

«Робототехнічні системи зазвичай використовуються для виконання небезпечних, небезпечних і навіть повторюваних завдань оператора. Вони мають багато різних функцій, таких як транспортування матеріалів, складання, зварювання, завантаження та розвантаження машини чи інструменту, а також такі функції, як: фарбування, розпилення тощо. Більшість роботів налаштовані на роботу шляхом навчання техніки та повторення».¹

Дослідження показують, що студенти мають позитивне ставлення та досвід використання роботів у класі.¹⁶ Однак, незважаючи на позитивне ставлення студентів, існують перешкоди, які обмежують використання промислової робототехніки в освітньому середовищі: поєднання обмежень щодо розміру, проблем безпеки, високої вартості та обмеженого досвіду програмування. У цій статті обговорюватиметься, як VEX V5 Workcell є рішенням для впровадження промислової робототехніки в освітньому середовищі.

II. Нові та доступні роботизовані моделі (апаратне забезпечення):

З розвитком технологій все більше студентів цікавляться робототехнікою як професією. Робототехніка може зацікавити студентів природничими та математичними галузями, а також дати студентам можливість практикувати вирішення проблем і логічне мислення.¹² Навички, отримані під час роботи з освітньою робототехнікою, такі як вирішення проблем і логічне мислення, також можуть бути застосовані та є основоположними в кар’єрі промислової робототехніки та виробництва. Щоб задовольнити потреби та попит спеціалістів у галузі робототехніки, які набули навичок програмування, вирішення проблем і логічного мислення, освітні інструкції хочуть запровадити промислову робототехніку у своїх класах.¹⁷ Проте існують обмеження щодо залучення промислових роботів до навчального закладу, щоб підготувати цих студентів до успішної кар’єри на виробництві. Не тільки купувати, але й підтримувати роботу роботизованої руки дорого. Ця вартість може обмежити кількість роботів, з якими студенти можуть взаємодіяти, і, отже, обмежити кількість самостійної практичної роботи студентів.¹¹ Роботи промислового розміру також вимагають багато місця, і під час роботи з промисловими роботами завжди існує ризик для безпеки. Недосвідчені студенти можуть випадково пошкодити себе, обладнання або інших.¹¹ Через ці фактори навчальні заклади звертаються до менших, безпечніших і економічніших моделей промислових роботів.

«У той час як робота з великими роботами потребує постійного нагляду та має виконуватись у спеціальних роботизованих камерах, багато університетів зараз вирішують придбати додаткових роботів розміром із робочий стіл, які дозволяють студентам працювати самостійно. Оскільки ці машини запрограмовані так само, як і більші роботи, результати можна негайно застосувати до великих машин для повномасштабного застосування».²

VEX V5 Workcell — це менша, безпечніша та економічніша модель промислового робота, достатньо мала, щоб її можна було розмістити на столі в класі, і з рекомендованим співвідношенням трьох учнів на одного робота, що дає студентам можливість практичного спілкування з робот. V5 Workcell безпечніший завдяки меншому розміру, а також завдяки можливості програмування бамперного вимикача, який за потреби функціонує як аварійна зупинка.

V5 Workcell також дозволяє студентам отримати досвід будівництва, який інакше був би неможливий. Студенти, які працюють з професійними роботами промислового розміру, отримують цінні знання та навички їх програмування, але можуть не розуміти, як вони рухаються та працюють, оскільки вони не брали участі в процесі будівництва. Участь у процесі будівництва не тільки дає студентам можливість встановити міцніший зв’язок між апаратним і програмним забезпеченням, але й дозволяє студентам отримати більш фундаментальні знання про те, як фізично працює робот. Ця можливість може дати студентам знання та досвід створення, які їм потрібні для більш ефективного усунення несправностей апаратного забезпечення, а також вирішення проблем.¹³ Включення фізичної конструкції роботів у промислову робототехнічну освіту також дає студентам можливість втілити в життя абстрактні поняття та рівняння фізики, техніки та математики. Практика цих концепцій STEM у контексті також дозволяє студентам побачити, як вони застосовуються в промисловості.

Більшість інших менших і економічно ефективніших моделей промислових роботів постачаються попередньо зібраними і часто створюються лише для однієї функції. Перевагою апаратного забезпечення V5 Workcell є те, що учні не обмежуються створенням одного робота. Студенти будують робочу клітинку V5 із частин системи VEX Robotics V5, яка має багато різних конструкцій, включаючи базову функцію руки робота (показано на малюнку 1), зміну EOAT (інструменти для кінця руки) та додавання кілька конвеєрів і датчиків (показано на малюнку 2). Це дає студентам досвід не лише створення самої руки робота, а й усієї моделі невеликої виробничої робочої клітини. Це дозволяє студентам брати участь у процесі будівництва, який висвітлює математичні та інженерні концепції, які студенти не змогли б відчути без будівництва. Це також дозволяє студентам зрозуміти, як V5 Workcell працює на фізичному рівні, що також переноситься на програмування. Це робить V5 Workcell педагогічним інструментом, який не тільки знайомить студентів з концепціями промислової робототехніки та програмування, але також ознайомлює їх із будівельними, інженерними та математичними концепціями, такими як декартова система координат і керування роботом у 3D-просторі.

Різні збірки наведено в інструкціях зі збирання, які допоможуть студенту виконати покрокове збирання (показано на малюнку 3). Це робить створення V5 Workcell доступним для студентів, які можуть не мати жодного досвіду будівництва загалом, будівництва з металу чи використання інструментів.

Малюнок 3: крок із інструкцій зі збірки Lab 4

VEX V5 Workcell надає навчальним закладам меншу, безпечнішу та економічнішу модель промислового робота, яка є не лише універсальною у своїх можливостях для побудови, але й надає учням більш самостійний практичний досвід навчання порівняно з професійним промисловим роботом. озброєння.

III. Викладання програмування (програмне забезпечення):

Завдяки експоненціальному розвитку технологій багато фізичних робіт у промисловому виробництві тепер доповнюються автоматизацією.⁴ Це може доповнити робочу силу, а в деяких випадках може створити більший попит на робочу силу, але також вимагає від працівників глибоких знань програмування для експлуатації, ремонту та обслуговування автоматизації.⁴ Програмування — це навичка, для освоєння якої людині можуть знадобитися роки, і більшість мов програмування, які використовуються в промисловості, є складними та призначені для використання професійними інженерами.³ Це означає, що програми, необхідні для того, щоб робот міг виконувати навіть найпростіші завдання, вимагають найняти спеціаліста з програмування.³

«Наприклад, ручне програмування роботизованої системи дугового зварювання для виготовлення великогабаритного корпусу автомобіля займає більше восьми місяців, а тривалість циклу самого процесу зварювання становить лише шістнадцять годин. У цьому випадку час програмування приблизно в 360 разів перевищує час виконання».⁹

Такий рівень досвіду програмування обмежує доступ для студентів і викладачів, які бажають дізнатися про основи програмування промислової робототехніки, але мають невеликий або зовсім не мають досвіду програмування.

«Програмування роботів займає багато часу, є складним, схильним до помилок і вимагає експертних знань як для завдання, так і для платформи. У промисловій робототехніці існує безліч мов програмування та інструментів, які вимагають певних навичок. Однак, щоб підвищити рівень автоматизації в промисловості, а також розширити використання роботів в інших сферах, таких як сервісна робототехніка та управління аварійними ситуаціями, необхідно, щоб неексперти могли інструктувати роботів».¹⁰

Навчитися програмувати новачкові в будь-якому віці складно.⁸ Навчання тому, як розуміти потік проекту на додачу до вивчення синтаксису, може бути не тільки приголомшливим, але й знеохочувальним і навіть відверто лякаючим.⁵ Щоб студенти та викладачі могли отримати досвід роботи з промисловою робототехнікою, складність кодування цих роботів має бути зменшена, щоб програмісти-початківці могли брати участь. Це можна зробити шляхом спрощення мови програмування з традиційних текстових мов. Спрощення мови програмування виявилося успішним у знайомстві та навчанні маленьких дітей програмувати в різних сферах, включаючи освіту.³ Завдяки цьому успіху можна використовувати спрощену мову програмування, щоб навчити людей основам програмування промислових роботів, і це дозволить їм розвинути базові навички, які вони згодом зможуть використати для досягнення успіху в промисловості.³

VEX V5 Workcell дозволяє студентам програмувати модель промислової роботизованої руки за допомогою VEXcode V5, блочної мови, що базується на блоках Scratch.¹⁸ (scratch.mit.edu) Учень вміє програмувати за допомогою VEXcode V5, спрощеної мови програмування. Студенти можуть створити проект для успішного маніпулювання Workcell, а також зрозуміти мету та хід проекту на більш глибокому рівні. Дослідження показали, що новачки без попереднього досвіду програмування можуть успішно писати блокові програми для виконання основних завдань промислової робототехніки.³

Дослідження також показали, що студенти повідомляють, що природа блочної мови програмування, такої як VEXcode V5, проста через опис блоків природною мовою, метод перетягування для взаємодії з блоками та легкість читання проекту.⁶ VEXcode V5 також вирішує питання, які викликають занепокоєння щодо мови програмування на основі блоків порівняно з більш звичайним підходом на основі тексту. Деякі з виявлених недоліків полягають у відчутній відсутності автентичності та меншій потужності.⁶ VEXcode V5 вирішує як уявний брак автентичності, так і здається менш потужним, включивши інструмент, відомий як «переглядач коду». Засіб перегляду коду дозволяє студенту створити проект блоків, а потім переглянути той самий проект у текстовій формі на C++ або Python. Це перетворення дозволяє учням вийти за межі обмежень мови, що базується на блоках, а також надає їм інструменти створення каркасів, необхідні для успішного подолання розриву в синтаксисі від блоків до тексту. VEXcode V5 використовує подібні правила іменування для блоків і команд, щоб полегшити перехід від блоків до тексту.

Дослідження, проведене Вейнтропом і Віленським⁷ для порівняння блокового та текстового програмування в класах інформатики середньої школи, виявило, що учні, які використовують блокову мову, показали більший успіх у навчанні та вищий рівень інтересу до майбутньої комп’ютерної техніки. курси. Студенти, які використовують текстову мову, вважали свій досвід програмування більш схожим на те, що роблять програмісти в промисловості, і більш ефективним у вдосконаленні своїх навичок програмування. VEXcode V5 дає програмістам-початківцям найкраще з обох світів, дозволяючи їм спочатку побудувати міцну основу концепцій програмування, які вони потім можуть використовувати під час переходу на C++ або Python, обидві текстові мови, що підтримуються у VEXcode V5.

VEXcode V5 — це доступна та безкоштовна мова програмування на основі блоків для моделі промислового робота, яка використовується в навчальних закладах, що робить програмування роботів більш доступним для студентів і викладачів, які інакше не змогли б ними користуватися. Виробничі робочі середовища постійно змінюються разом із технологіями, і блочні мови програмування, такі як VEXcode V5, можуть краще надати студентам, які прагнуть стати майбутніми працівниками виробництва, навички та базові знання програмування, необхідні їм для успішної роботи на виробництві та промисловості.³

IV. Великі ідеї

Однією з найбільших переваг V5 Workcell є те, що студенти мають можливість вивчати та зосереджуватися на більших концепціях і основних принципах, які є основоположними не лише для програмування, але й для інженерії та професійної сфери промислової робототехніки. Зосередження на кількох більших концепціях, які можна застосовувати в різних умовах і ситуаціях, дає студентам можливість отримати більш глибоке розуміння та глибший досвід вивчення цих навичок і тем. Халперн і Хакель припускають, що «акцент на поглибленому розумінні основних принципів часто є кращим дизайном навчання, ніж більш енциклопедичне висвітлення широкого кола тем».¹⁴

Студенти вивчатимуть різні поняття, такі як:

• Будівництво з металу та електроніки
• Декартова система координат
• Як робота-рука рухається в 3D просторі
• Повторне використання коду
• Змінні
• 2D списки
• Датчик зворотного зв'язку для автоматизації
• Конвеєрні системи та багато іншого.

Студенти отримають фундаментальні знання про ці концепції, які можна буде перенести та застосувати пізніше в широкому діапазоні галузей, таких як математика, програмування, інженерія та виробництво. Ознайомлюючись із цими поняттями, студенти можуть активно вирішувати проблеми, співпрацювати, бути креативними та розвивати стійкість. Усі ці навички є важливими в будь-якому середовищі та пов’язані з навичками сучасності 21 століття.

«Знання стали життєво важливими в 21-му столітті, і людям необхідно отримати такі навички, щоб стати робочою силою, які називаються навичками 21-го століття. Загалом, навички 21-го століття включають співпрацю, спілкування, цифрову грамотність, громадянську позицію, вирішення проблем, критичне мислення, креативність і продуктивність. Ці навички називаються навичками 21-го століття, щоб вказати, що вони більше пов’язані з поточними економічними та соціальними розвитками, ніж з тими, що відбулися в минулому столітті, яке характеризується як індустріальний спосіб виробництва».¹⁵

В. Висновки

Метою цієї статті є представити переваги VEX V5 Workcell в освітньому середовищі для ознайомлення з промисловою робототехнікою. Таким чином, ця стаття показує, що VEX V5 Workcell надає всеохоплююче рішення для ознайомлення студентів із промисловою робототехнікою в освітньому середовищі, яке є економічно ефективним, знижує бар’єр для програмування та зосереджується на великих ідеях, які допомагають студентам розвиватися. важливі навички.

---